采煤沉陷对沉陷区洼地汇流范围的影响分析*

徐，孙青言，安士凯，陆垂裕，李 慧，王明娜

(1.煤矿生态保护国家工程实验室，安徽淮南 232001;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 研究背景

地下采煤过程导致地表沉陷，形成局部洼地，同时改变地形地貌，使流经沉陷区的河道汇流范围发生变化。沉陷区地表形势是随着煤炭开采不断变化的，这为试图开发沉陷区洼地为防洪除涝的水利工程提出了挑战:沉陷区的动态扩展和不规则塌陷改变了河道汇流范围，使进入沉陷区的暴雨产汇流量随之发生变化，进一步增大了洪峰和洪量的随机性，不利于沉陷区洼地的防洪调蓄。因此，有必要深入研究煤炭持续开采条件下地表沉陷对洼地汇流范围的影响。

地表沉陷随煤炭开采不断增加，与地表沉陷有关联的地理要素也随之变化。因此，应从沉陷区动态发展的角度研究地表沉陷对相关要素的影响。本文提出了一种沉陷区洼地汇流范围划分的新方法，用以完整识别沉陷区动态发展下不断变化的洼地汇流范围。沉陷区洼地的汇流范围，即降水产流汇入洼地的汇水区域，也称为洼地集水区，随沉陷面积和深度的增加而变化。分析计算洼地汇流范围，不仅能够为洼地防洪调蓄的产汇流计算提供所需的基础资料［1］，而且在研究洼地蓄水的非点源污染时，也可作为污染物的汇聚范围，为流域污染物空间分布数据库的建立提供基础数据［2-3］，为采煤沉陷区的生态环境治理提供数据支持。

2 研究区域概述

淮南煤田位于华东腹地的安徽省中北部、淮河中游平原地区，各矿区分布于淮河南北两侧。淮河北侧的潘谢矿区，面积约1571km2［数据来源:国家发展和改革委员会 (发改能源 ［2004］2301号)《关于淮南潘谢矿区总体规划的批复》］，其沉陷区处于发展初期，未来地表大幅沉降必将对各种自然和人工地物造成重大影响，而且所处地理位置具有一定的代表性，故选为本文的典型研究对象。现状年因采煤形成的地表沉陷区分为若干部分，东西方向散布于淮河干流北侧，西淝河、永幸河、架河、泥河等主要河流穿流而过。沉陷区大部分位于淮南市，小部分延伸至阜阳市。沉陷深度大于10mm的总沉陷面积为108.3km2，最大沉陷深度为7.6m(数据来源:《淮南潘谢矿区采煤沉陷预测报告》，淮南矿业集团、中国矿业大学，2013年1月)。根据沉陷区所处的流域，将沉陷区分别命名为西淝河沉陷区、永幸河沉陷区、架河沉陷区和泥河沉陷区。现状沉陷区分布如图1所示。

通过调查分析，考虑沉陷区周边与洼地蓄水有水力联系的区域，排除其他无关联区域，将研究区域确定为茨淮新河、颍河和淮河干流环绕的范围，涉及安徽省的淮南、阜阳、蚌埠、亳州四市，所处地理范围为东经 115°44'～ 117°10'、北纬 32°22'～ 33°06'，面积约4012km2，如图1所示。研究区域地处淮河中游平原地带，地势低平，历史上黄河长期泛滥夺淮，区域内河流水系交错，湖泊洼地众多;多数主要河道水流自西北向东南流动，最终汇入淮河。区域水文气象为我国南北气候过渡带，年际年内变化大。径流量年内分配严重不均且年径流量丰枯悬殊。水文地质条件受区域构造及新构造运动控制，地质分区特征明显，含水层结构复杂。

3 现状地形与预测沉陷的叠加

研究沉陷区洼地在现状地形的基础上随未来地表沉陷动态发展的变化，需要把预测沉陷值叠加到现状地形之上，获得未来采煤影响下的预测地形，并以此提取预测地形沉陷区洼地的汇流范围，然后才能对洼地汇流范围的变化进行比较分析。为了更方便地使用空间分析软件，本研究从“国际科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn/)”获取了研究区域2010年30m×30m分辨率的DEM作为现状地形数据。

规划年地表沉陷根据煤炭开采规划采用概率积分法预测［4-5］。按概率积分法的基本原理，在倾斜煤层中开采某单元i引起地表任意点 (x，y)的下沉 (最终值)为:

图1 研究区域范围及现状沉陷区分布

式中 W0——该地质采矿条件下的最大下沉值，

W0=mqcosα，其中 m为煤层厚度，

q为下沉系数，α为煤层倾角;

D——积分区域，是煤层开采范围d在水平面的投影。

模型使用前需要量算的参数有:下沉系数q、水平移动系数B、tanβ和最大下沉角θ。

开采沉陷预测成果是在现状地表的基础上，以2020年、2030年地表沉陷等值线 (负值)的形式表现出来的，如图2所示。沉陷边界线的沉陷深度为10mm，小于10mm的沉陷不计入沉陷范围;等值线

式中 r——主要影响半径，r=H0/tanβ，其中 H0为平均采深，β为主要影响范围角;

li=Hicotθ，其中Hi为i单元中心点的深度，θ为最大下沉角;

(xi，yi)——i单元中心点的平面坐标;

(x，y)——地表任意一点的平面坐标。

图2 规划年地表沉陷等值线

设单层倾斜煤层开采范围为d，则地表任一点的下沉量为数值间隔为1m。预测2020年沉陷区总面积为240.48km2，最大沉陷等值线深度为12m;2030年沉陷区总面积扩大为331.88km2，最大沉陷等值线深度为15m。

把现状地形与预测的地表沉陷值在同一空间坐标系内叠加，形成各规划年包括地表沉陷在内的地形数据。现状地形与预测沉陷叠加的过程如图3所示。该过程在ArcGIS上实现，具体操作过程分两步:①将CAD沉陷等值线图转化为沉陷区栅格数据;②将沉陷区栅格数据与现状DEM进行叠加。

图3 现状地形与预测沉陷的叠加过程 (以2030年沉陷预测为例值)

4 地表沉陷对沉陷区洼地汇流范围的影响

洼地和水库的不同在于:水库是在河道上建造拦河坝进行径流调蓄，大坝闸门关闭情况下能在坝体上游形成一定的水面和蓄水量，闸门开启后水位下降，可以逐渐恢复为原来的河道;而洼地一般独立于河道存在，具有一定的面积和深度，即使在没有人工的控制情况下，仍然能自动从连通的河道中引入水量，自然满溢，其蓄水量随着丰枯季节的变化而增减。尽管如此，洼地汇流和水库汇流仍具有一定的相似性。水库的控制流域以拦河坝为流域出口，降水通过产汇流进入水库，在大坝闸门流出;洼地则以向河道的排水口为流域出口，降水也通过产汇流进入洼地，最后在洼地排水口流出。这样，随着沉陷区面积的增大，洼地的排水口会发生变化，洼地汇流范围则会产生相应的变化。

本研究中的洼地汇流范围借助ArcSWAT的集水区划分工具确定［6-7］。集水区的确定主要是确定水系上的出水口，出水口一旦确定下来，ArcSWAT便会自动生成该出水口以上的集水区。为了探究地表沉陷对河道汇流范围的影响，计算沉陷区洼地的集水面积，本文提出一种沉陷区洼地集水区出水口的确定方法:单片沉陷区边界线与河道有多个交点，取河道最下游的交点为出水口。通过该方法确定的出水口生成的汇流范围，不但能够体现沉陷发展对河流集水区变化的影响，而且能够完整地确定沉陷区洼地的汇流范围，使洼地汇流不丢失任何一块面积。如果把该方法确定的出水口向下游移动，则会把一部分不属于洼地汇流范围的面积包括进去，而且不利于分辨沉陷区变化对河流汇流的影响;反之，若把该出水口向上游移动，则会丢失一部分洼地的汇流面积，使洼地汇流计算失去可靠性。上述方法为研究地表沉陷影响下河道汇流的演变提供了基础性的技术支持，具有理论上的合理性和实际上的可操作性。

现状年沉陷区并未连成一片，因此需要分别确定各沉陷区洼地集水区的出水口，然后以此划分集水区。以西淝河流域为例，现状年西淝河流域有两片尚未连接的地表沉陷洼地，分别位于干流及其支流济河，按照上述方法分别提取集水区。西淝河流域面积1391.0km2，自流域出口上溯第一片沉陷区洼地为“洼地一”，其集水区出水口位于干流，集水区面积1325.85km2;第二片为“洼地二”，其集水区出水口位于支流，集水区只包含在支流济河流域内，面积524.31km2。

图4 现状年西淝河流域及各沉陷区洼地集水区

其他流域没有连成一片的沉陷区洼地，可按照上述方法分别提取汇流范围。在对各洼地进行洪水调蓄时，可参考水库群的调蓄方式。图4中“洼地一集水区”为流域最下游洼地的集水区，其汇流面积最大，称为最大集水区。最大集水区一般能够覆盖本流域内的所有沉陷区，使用该集水区的面积可计算出每次降雨的最大洼地汇流量，而且能从整体上把握沉陷区扩大、合并对河流汇流范围的影响。各流域现状年和规划年沉陷区洼地最大集水区如图5所示，各集水区面积见下页表。

图5 各流域现状年和规划年沉陷区洼地最大集水区

各流域沉陷区洼地最大集水区面积统计表 单位:km2

地表沉陷导致沉陷区洼地的汇流范围产生不同程度的变化，其中以永幸河沉陷区洼地的汇流范围变化最大。由于地表大面积沉陷，西淝河通过其支流港河汇入永幸河，西淝河流域几乎全部纳入了永幸河流域，使得永幸河洼地的汇流范围剧烈扩大，从现状年的219.98km2增大为2020年的1603.15km2。随着沉陷区的进一步发展变化，永幸河沉陷区洼地最大集水区面积略有增加，到2030年，其洼地汇流范围增大为1621.78km2。

尽管西淝河沉陷区洼地的汇流面积相对变化不大，但是洼地集水区的汇流方向和出水口发生了本质的变化。现状年洼地集水区与西淝河流域的汇流方向一致，但到了2020年和2030年，地形变化使西淝河下游段和支流港河下游段的汇流方向发生了逆转，出水口也变成了沉陷区边界与港河的交点，汇水流出洼地后不是沿西淝河干流直接进入淮河干流，而是通过西淝河支流港河“逆流”入永幸河，间接流入淮河干流。

架河流域沉陷区洼地最大集水区面积2020年之前相对稳定，2020年之后有所增大，到2030年扩大为68.47km2。泥河流域沉陷区的扩展使得现状年开始的10年内洼地最大集水区面积增大了40km2，之后十年又因黑河流域沉陷区洼地汇流范围的扩大，挤占了部分泥河沉陷区洼地集水区，使其面积又缩小了近20km2，可见泥河流域沉陷区的汇流范围变化具有较大的随机性。现状年黑河流域尚未出现地表沉陷，但是根据采矿部门的开采计划，预测到2020年，黑河流域也将出现一定程度的地表沉陷，其洼地集水区为51.07km2，这一数值将随着该流域沉陷区面积的扩大进一步增大为75.60km2。

从上述分析可以看出，就单个洼地集水区而言，沉陷区的增大未必能使其汇流面积增大，还要看地表沉陷的分布形势;另外，地表大幅沉陷导致河道汇流范围剧烈变化，必将引起洪峰洪量的大幅增加，给沉陷区洼地的防洪调蓄带来巨大压力。此时，沉陷区发展下的洼地汇流范围变化研究就显得极为重要。

5 结论与展望

煤炭开采导致地表沉陷，对当地社会生产和居民生活产生不利影响，需要加强治理，尽量做到转害为利变废为宝。将地表沉陷形成的局部低洼地区改造成防洪除涝的水利工程，就是这种转变的重要举措。为实现这一转变，首先需要研究洼地的调控能力和控制范围。然而，沉陷区洼地是随着采煤量的累加逐渐变化的，会使洼地汇流范围发生相应的改变。

5.1 研究结论

现状地形与预测沉陷的叠加方法和ArcSWAT洼地集水区提取方法的联合使用，为分析未来地表沉陷动态发展对沉陷区洼地汇流范围变化的影响提供了技术支持，是一种方法技术的创新。通过上述方法的应用实践，得出如下结论:

(1)利用空间分析软件 (ArcGIS)把现状地形(2010年)和预测地表沉陷值 (2020年、2030年)叠加起来，形成规划年的预测地形数据，用于沉陷区洼地集水区的提取。该方法为地表起伏变动情况下的地形预测提供了技术支持。

(2)本文提出的沉陷区洼地集水区出水口的确定方法，单片沉陷区边界线与河道有多个交点，取河道最下游的交点为出水口。通过该方法确定的出水口生成的汇流范围，不但能够体现沉陷发展对河流集水区变化的影响，而且能够保持洼地汇流面积的完整性。该方法为研究地表沉陷影响下河道汇流的演变提供了基础性的技术支持，具有理论上的合理性和实际上的可操作性。

(3)借助ArcSWAT的集水区划分工具，提取各洼地的汇流范围，生成各流域洼地的最大集水区。结果表明:西淝河流域并入永幸河流域，导致永幸河洼地集水区剧增，从现状年的219.98km2增大为2030年的1621.78km2;西淝河流域沉陷区洼地最大集水区面积相对变化不大，但集水区出水口移至其支流港河之上;架河洼地汇流面积规划期前十年变化不大，后十年从52.47km2增大为68.47km2;泥河流域沉陷区汇流面积变化具有较大的随机性，从现状年的251.70km2增加为2020年的291.85km2，之后又减小为2030年的272.14km2;黑河流域自出现地表沉陷后，洼地集水区逐年增大，从2020年的51.07km2增大为2030年的75.60km2。洼地汇流面积的分析计算为洼地防洪调蓄以及洼地蓄水非点源污染分析提供了有用的资料。

5.2 展望

本文研究的地表沉陷动态发展对沉陷区洼地汇流范围的影响对其他类似地区具有参考价值。该研究借助了强大的空间分析工具，应用了合理的分析处理方法，获得了有价值的成果。但是仍有以下方面有待进一步完善:

(1)研究区域处于平原区，河道水系纵横交错，各大流域彼此相通，而通过ArcSWAT提取的不同集水区之间在汇流上没有水力联系，这与实际不符。因此，下一步的研究应把流域间的河道连通考虑进去，使沉陷区发展对洼地集水区的影响分析更贴近实际。

(2)沉陷区沉陷深度等值线每个规划年只给出了一种情况 (一幅沉陷等值线图)，对未来地形的预测仅能得到一种结果，这实际上是不妥当的，因为影响地表沉陷的因素十分复杂，地表沉陷值不可能唯一确定，应提供一定的沉陷值浮动区间及其配套的若干张等值线图。这样，可生成多种可能的地形数据，使提取的洼地集水区尽可能涵盖未来各种变化的可能。

(3)本研究分析计算得到的沉陷区洼地的汇流范围作为防洪计算和非点源污染分析的基础数据，将在下一阶段洼地的防洪除涝潜力研究和洼地蓄水非点源污染研究中得以应用，使该研究的成果切实发挥作用。

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